광학 위상 배열들

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이미지 제공: Steve Bowers

광학 위상 배열(OPA)은 여러 물체의 얇은 외피로 쓸 수 있으며, 이를 통해 이미지를 표시하거나, 위장하거나, 심지어 여러 목적에 맞춰 강력한 평행 빔까지 방출할 수 있다.

위상 배열은 안테나에 연결된 전기 발진기 세트로, 표면에 놓이며, 방출하는 복사 파장의 적당한 분율만큼 간격을 두고 배열된다. 각 발진기를 독립적으로 제어하면 공진 발진기 주파수에서 전자기장의 진폭, 위상 및 편광을 정밀하게 제어할 수 있으며 그 파면을 필요에 따라 형성할 수 있다. 평면 파면은 직선으로 전파되며 회절을 무시하면 빔의 방향을 거의 즉시 이동시킬 수 있고 원하는 경우 빠르게 앞뒤로 스캔할 수 있다. 또는 빔이 수렴하도록 만들어 배열 앞의 한 점에 초점을 맞추거나 배열 표면에서 발산하도록 만들 수 있다. 이 기술은 흔히 마이크로파 주파수에서 강력하고 빠른 형태의 레이더로 사용된다.

가시광선 주파수에서 공진하는 발진기는 표면에 적절한 간격으로 분포된 나노미터 크기의 매우 작은 회로가 필요하다. 비슷한 규모의 처리 요소가 이러한 방출기를 함께 연결하고 출력을 조절한다. 이러한 배열을 사용하면 3차원 물체를 모방할 수 있는 복잡한 시각 디스플레이를 만들 수 있다. 발산하는 빛의 빔을 방출함으로써 OPA 표면 뒤의 점 광원에서 나온 빔과 동일하게 동작한다. 이 빔의 빛을 보는 관찰자는 OPA 뒤에 떠 있는 것처럼 보이는 광점을 볼 것이다. 빔이 수렴하는 경우 초점 이후의 빔에서 나온 빛을 보는 관찰자는 초점에 떠 있는 광점을 볼 것이다. 표면을 묘사하는 연속적인 점 분포를 표시하면 OPA 앞이나 뒤에 명백히 고체 물체를 표시할 수 있다.

이미지 제공: Steve Bowers
위상 배열 광학은 여기 보이는 것처럼 물체를 위장하는 데 사용할 수 있습니다(육상 순양함이 이러한 배열 뒤에 숨겨져 있으며, 위치를 드러내는 작은 광학 왜곡 몇 가지만 남아 있다)

이러한 디스플레이는 배열 뒤 멀리 떨어진 물체를 포함하여 어느 위치에나 3차원 이미지를 투사할 수 있다. 하나의 주파수뿐만 아니라 여러 주파수의 발진기를 사용하면 허상에 다양한 색을 입혀 실제처럼 보이게 만들 수 있다. OPA는 이제 텔레비전, 영화 및 컴퓨터 터미널을 대체하는 범용 "홀로그램" 디스플레이로 쓸 수 있다. 방이나 거주지의 내벽에 위상 배열 광학 송신기 층을 배치하면 움직이는 구름, 새, 항공기, 천체 등이 있는 명백히 무한한 풍경과 하늘 풍경을 표시할 수 있다. 이는 제한된 공간에서 느끼는 폐쇄감을 줄이는 데 도움이 되곤 한다.

이 디스플레이에는 처음에는 분명하지 않을 수 있는 중요한 제한이 있다. 디스플레이 표면 뒤에서 시작되는 것처럼 보이는 이미지만 투사하는 한 문제는 없다. OPA는 표시된 세계로 향하는 창문처럼 보인다. 그러나 그 앞에 이미지를 투사하는 경우 관찰자는 빔의 빛이 눈에 들어올 수 있는 경우에만 이미지를 볼 수 있다. 이것은 이미지가 관찰자와 OPA 표면을 잇는 시야선 위에 있을 때만 가능하다. OPA 바로 앞에 더 이상 없도록 이동하는 이미지의 모든 부분은 보이지 않는다. 관찰자가 OPA와 이미지 사이를 이동하면 빛을 볼 수 있지만 관찰자가 망막에 초점을 맞출 수 없기 때문에 의미 있는 상을 만들지 못한다.

이러한 복잡한 파형과 이미지를 생성하려면 정교한 컴퓨터 프로그램과 충분한 처리 능력이 있어야 한다. 이러한 이미지는 처음부터 생성되거나 OPA 자체를 사용하여 재전송할 장면을 기록할 수도 있다. OPA에 입사하는 빛은 나노 규모 안테나에 흡수되어 발진기에 전류를 트리거하며, 이 전류는 측정하고 기록할 수 있다. OPA에 들어오는 빛의 완전한 기록을 얻을 수 있으며, 이는 해당 OPA 또는 다른 OPA에 의해 재생되어 장면의 충실도가 완벽한 재현을 만들 수 있다.

OPA는 물체를 보이지 않게 만들 수 있다. 예를 들어, 서로 멀어지게 향하는 30cm 간격의 두 개의 평평한 OPA 표면을 생각해 보라. 각 OPA는 기록하고 있으며, 신호는 추가 30cm를 설명하도록 처리된 다음 다른 OPA에 의해 재생되어 추가 30cm가 단순히 빈 공간인 것처럼 표면에 이미지를 생성한다. 두 표면 사이에 배치된 물체는 사라진다. 이제 두 개의 OPA 슬래브 개념을 가지고 닫힌 표면을 형성하도록 감싼다고 하자. 예를 들어 전신을 덮는 옷이다. 그 옷을 입는 사람은 누구나 보이지 않는다. 완전한 투명성을 위해 눈을 덮어야 하지만 착용자는 눈이 멀 필요가 없다. 옷 안쪽의 OPA 헤드업 디스플레이가 외부에서 기록된 것을 재생하면 된다.

OPA 기술로 코팅된 지지대가 있는 건물은 공중에 떠 있는 것처럼 보일 것이다. 그러나 완전히 보이지 않는 엘리베이터 또는 계단으로 접근할 수 있다. 유틸리티 포그 덩어리는 투명하게 보이게 만드는 OPA의 외부 층을 가질 수 있다. 그러나 이 투명성 환상은 완벽하지 않다. 이 기술의 한 가지 사소한 제한은 신호가 기록될 때와 재생될 때 사이에 처리 지연이 있어야 한다는 것이다. 이 지연이 아무도 알아차리지 못할 만큼 작더라도 OPA 가장자리에서 방출되는 빛과 빈 공간을 통과하는 빛 사이에 위상 차이가 있음을 의미한다. 충분히 좋은 해상도를 가진 센서에는 이것이 매우 희미한 불연속성, 착용자의 실루엣 주위의 프린지로 나타난다. 이 효과는 대부분의 사람은 시각 보강 없이는 감지하기 매우 어렵다. OPA는 근적외선 및 중적외선에서 잘 작동할 수 있지만 실온 또는 체온 OPA의 열 방출은 원적외선에서 빛을 제어해 방출하는 능력을 방해해 열화상 투명성을 불가능하게 만든다. 이것은 OPA 자체가 실온에 있다고 가정한다. OPA가 극저온으로 냉각되면 더 높은 주파수에서처럼 원적외선에서도 잘 동작한다.

이미지 제공: Steve Bowers
토성(솔시스)의 위성 테티스에 있는 광학 위상 배열 송수신기

OPA는 빛의 빔을 투사할 수 있다. 이 빔은 원하는 거리에서 초점을 맞출 수 있는 고도로 평행하고, 일관성 있고, 단색인 빛의 빔일 수 있다. 따라서 레이저처럼 쓸 수 있다. 라이다 센서, 거리 측정기, 바코드 스캐너, 통신, 용접, 절단, 드릴링에 쓸 수 있고, 충분히 강하면 무기로도 쓸 수 있다. 종종 항성 초점에 위치한 대규모 광학 위상 배열은 소위 빛의 길(Lightways) 네트워크의 일부로 성간 통신에 널리 쓰인다.

태양광과 동일한 강도로 빛을 방출할 수 있는 OPA는 평방 미터당 약 1킬로와트를 생산한다. 회절 제한 점에 초점을 맞춘 킬로와트는 상당히 강력해서 산업용 용접, 절단 및 드릴링에 쓸 수 있지만 대부분의 무기 목적에는 너무 약하다. 그러나 1kW/m^2에서 30m x 30m 배열은 약 메가와트급 출력을 낼 수 있으며, 이는 옷에 불을 붙이는 동안 치명적인 화상을 일으키거나 몇 초 동안 머문다고 보면 얇은 껍질 차량을 통해 구멍을 기화시키기에 충분하다. 사용 가능한 강도 및/또는 표면적이 증가함에 따라 OPA를 무기로 사용할 수 있는 가능성도 커진다.

궁극적으로 위상 배열은 장거리 행성간 또는 성간 무기로 쓸 수 있다. 전체 행성, 달, 거주지 또는 ISO가 위상 배열 광학으로 덮여 있으면 전체 표면이 멀리 떨어진 점에 초점을 맞출 수 있는 빔을 생성할 수 있다. 빛을 방출하는 물체가 클수록 회절 제한으로 인해 범위가 길어진다. 전체 다이슨 구(Dyson sphere) 또는 마트료시카 브레인을 덮으면 극히 큰 구경을 가진 배열이 생성되며, 이는 강력한 빔을 상당한 정확도로 엄청난 거리에 보내는 데 쓸 수 있다. 이러한 종류의 강력한 빔은 우주선을 가속하거나, 매우 많은 양의 정보를 통신하거나, 심지어 무기로 쓸 수도 있다(니콜-다이슨 빔 참조).

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